電路與模擬電子技術(shù)-1功率放大

功率放大電路功率放大電路：以輸出信號功率為主要目的的放大級。輸出幅度較大，功率放大電路必須工作在大信號條件；如何盡量減小輸出信號的失真是首先要考慮的問題。輸出信號功率的能量來源于直流電源，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換的效率。半導(dǎo)體器件在大信號條件下運用時，電路中應(yīng)考慮器件的過熱、過流、過壓、散熱等問題，并要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。功率放大電路從功率變換的角度

放大電路如何有效地將直流供電電源的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的信號功率。低頻功率放大電路。功率放大電路的分類功率放大電路的基本計算集成功率放大器功率放大電路的分類按靜態(tài)工作點的不同設(shè)置劃分：甲類功率放大電路、乙類功率放大電路、甲乙類功率放大電路。甲類放大：導(dǎo)通角為θ=2π。（三組態(tài)電路、差分電路）乙類放大：導(dǎo)通角為θ=π。（互補對稱共集電路、交越失真）甲乙類放大：導(dǎo)通角介于π和2π之間。（給管子設(shè)置微小的靜態(tài)工作電流，使其在小的輸入信號下也能進(jìn)入放大區(qū)）甲類單管功率放大電路右圖所示共射極甲類功率放大電路。（圖解分析如右下圖所示）靜態(tài)工作點位于交流負(fù)載線中點。LCQCEQ2

2R

VCC

VCC，

IVvCE

VCEQ

Vcem

sin

tC

CQi

I

Icmsin

tCC

CQCC

CE電源提供的功率：P

12π

02πV

i

d(

t)

V

I2o

o

cm

L2πo負(fù)載上獲得的功率：P

1

2π

021v

i

d(

t)

I

R甲類單管功率放大電路所以，該類電路的理想效率為：

25%（效率很低）原因？改進(jìn)？CC

CQCC

CE電源提供的功率：P

12π

02πV

i

d(

t)

V

I2o

o

cm

L2πo負(fù)載上獲得的功率：P

1

2π

021v

i

d(

t)

I

RLcmcem由圖：V2

2R

VCC

VCC，

I乙類雙管功率放大電路（變壓器耦合推挽式）右圖所示變壓器耦合推挽功率放大電路。Tr1

：輸入變壓器；Tr2

：輸出變壓器；T1、T2

：同極型對稱推挽管；Rb1、Rb2

：偏置電阻（克服交越失真）突出優(yōu)點：通過改變變壓器的變比，能找到一個最佳的等效負(fù)載；（此時輸出功率最大，且不失真）在不提高電源電壓的條件下，可使輸出電壓幅度超過電源電壓。乙類雙管功率放大電路（變壓器耦合推挽式）右圖所示變壓器耦合推挽功率放大電路。vi

正半周時：T1

導(dǎo)通、T2

截止；負(fù)載RL

獲得正半周輸出信號。vi

負(fù)半周時：T1

截止、T2

導(dǎo)通；負(fù)載RL

獲得負(fù)半周輸出信號。乙類雙管功率放大電路（互補對稱式OTL）右圖所示單電源供電的互補對稱功率放大電路。（OTL：Output

Transformerless）vi

＝0（靜態(tài)）時：T1

、T2

管截止；vi

正半周時：T1

導(dǎo)通、T2

截止；+VCC→T1

→C

→RL→GND（電容充電）。vi

負(fù)半周時：T1

截止、T2

導(dǎo)通；C

→T2→GND

→RL（電容作為電源，放電）2

2CQ

OQCCOv

V，（電容）V

VCC

，V

0

vi2VCCvI

乙類雙管功率放大電路（互補對稱式OCL）右圖所示雙電源供電的互補對稱功率放大電路。（OCL：Output

Capacitorless）vi

＝0（靜態(tài)）時：T1

、T2

管截止；VOQ

0vi

正半周時：T1

導(dǎo)通、T2

截止；+VCC→T1

→RL→GNDvi

負(fù)半周時：T1

截止、T2

導(dǎo)通；GND

→RL→T2→-VCC功率放大電路的基本計算功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率Po

（最大輸出功率Pom）；輸出效率η

（最大效率ηm）；管耗PT

。0x

x2πv

i

d(

t)x2π功率的基本計算公式：P

1

輸出功率Po輸出功率Po：負(fù)載上所獲得的功率。定義

Vim

sin

tRL則輸出為：vo

Vom

sin

t

，io

Vom

sin

tL

Vom

2o2π0o

o輸出功率：P

1

2π

v

i

d(

t)2R輸出效率ηπ2π

12π12π0CC

oV i

d(

t)

π

VCCiod(

t)EPPE

4

VCC

Vom

2VCCVomπ

RL輸出效率：

Po0LomCCπ0CC

oπ

1

2π

2[Rd(

t)V

πV

sin

tV i

d(

t)]

22RL輸出效率η：輸出功率Po

與電源提供的平均功率PE

之比。電源提供的平均功率：VPo

om最大輸出功率Pom

、最大效率ηm右下圖所示互補對稱功率放大電路的工作波形。CCom輸出功率達(dá)到最大，此時輸出效率也最大。若考慮功放管的飽和壓降，則Vom

=VCC-VCES

；實際效率將小于78.5%。（一般為60～70%）

78.5%PPE

42RL，

m

om

V

2Pom

CC

Vom

4

VCC22RLVPo

om

LEπ

R當(dāng)輸出信號幅度達(dá)到理想的最大值

V

≈V

時，P

2VCCVom管耗PT管耗PT

：T1、T2

兩管的消耗功率。（廣義：除輸出功率外的所有功率）最大管耗PTM

（對上式求導(dǎo)）：L

LPT

PE

Po

2Rπ

R2VCCVom

Vom

22V

V

CC

omπ

RLPE

CCom當(dāng)V

2VCC

0.64

V

時π2VCC

2π2

RLom

4

P

0.4

Pomπ2PTM

PT2M每個功放管的最大功耗為：PT1M2

1

PTM

0.2

Pom22RLVPo

om2RL【例5.1-1】右圖所示OCL電路。已知：VCC

=15V，輸出電壓幅度Vom

=10V，RL

=8

。求：輸出功率、效率和管耗。V

2解：輸出功率：Po

om

6.25

WLπ

REP

2VCCVom

11.94

WPE

11.94效率：

Po

6.25

52.3%21

2管耗：PT

PT

1

(PE

Po

)

2.85

W2RL【例5.1-2】右圖所示OTL

電路。已知：VCC

=30V，輸出電壓幅度Vom

=10V，RL

=8

。求：輸出功率、效率和管耗。V

2解：輸出功率：Po

om

6.25

WLπ

REP

VCCVom

11.94

WPE

11.94效率：

Po

6.25

52.3%21

2管耗：PT

PT

1

(PE

Po

)

2.85

W【例5.2】右下圖所示OTL

電路。已知：T1、T2

特性完全對稱，vi

為正弦，VCC

=10V，RL

=16Ω。求：（1）靜態(tài)時，電容C2

兩端的電壓應(yīng)該是多少？調(diào)整哪個電阻能滿足這一要求?（2）動態(tài)時，若輸出電壓波形出現(xiàn)交越失真，應(yīng)如何調(diào)整?解：（1）電壓為5V，調(diào)整R1、R3

。（2）應(yīng)增加R2

。（三極管基極間電壓增大，有較大的靜態(tài)電流）右下圖所示OTL

電路。已知：T1、T2

特性完全對稱，vi

為正弦，VCC

=10V，RL

=16Ω。（3）若R1

=R3

=1.2kΩ，β=50，|VBE|=0.7V，Pcm

=200mW

；求：當(dāng)D1、D2、R2

中任一開路時，將會出現(xiàn)什么情況?解：（3）當(dāng)D1、D2、R2

中任一開路時：PC

VCE

IC1

895

mW

Pcm所以，功率管將會損壞。

179

mA1

VCC

VBE

VC2QC1I

IB1R功率管的選取功放管的功耗：PCM＞0.2Pomax功放管的耐壓：V

(BR)CEO

＞2VCC功放管允許的最大集電極電流：ICM

＞VCC/RL功率管的應(yīng)用功率管應(yīng)該嚴(yán)格配對：大工作電流時的β

一致；在大電流下飽和壓降小，且一致。功率管的散熱問題：大功率場合下，必須給功率管裝散熱板，或進(jìn)行風(fēng)冷和水冷。功率管在大電流、高電壓下工作，應(yīng)對其采取過壓和過流保護(hù)措施。當(dāng)電源質(zhì)量不高或內(nèi)阻較大時，電源內(nèi)阻上的壓降可能會引起功放電路的低頻自激；消除低頻自激方法是

置放大電路的供電回路中加去耦濾波電容。集成功率放大器集成運放的輸出級采用互補對稱式輸出。受散熱、電流容量、耐壓等因素制約，輸出電流一般為幾十毫安，電壓極值一般為電源電壓的85%左右。需要考慮集成運放的擴(kuò)流、擴(kuò)壓。集成運放的擴(kuò)流在集成運放的輸出端再加一級互補對稱功放。利用T1、T2

管的電流放大作用，達(dá)到擴(kuò)大輸出電流的目的。集成運放的擴(kuò)流（實用電路）功率放大電路（電壓放大級+功率放大級）。電壓串聯(lián)負(fù)反饋，閉環(huán)增益：AvfR1

1

R2集成運放的擴(kuò)壓靜態(tài)（vi

=0）：vo

0